二频机抖激光陀螺惯性测量单元最优安装配置的评估方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于抖动灵敏度的二频机抖激光陀螺惯性测量单元最优安装配 置的评估方法，属惯性导航、制导及控制领域。
【背景技术】
[0002] 激光陀螺仪是以萨格纳（Sagnac)效应为基础的由环形激光谐振腔构成的测量角 速率及角度的装置。在激光陀螺仪的误差源中，锁区效应是限制激光陀螺实际应用的主要 误差源之一。锁区效应是指在低输入角速率条件下，激光陀螺仪的输出为零的现象。克服锁 区效应的方法有多种，如速率偏频、机械抖动偏频、塞曼偏频、磁镜偏频和法拉第偏频等，其 基本思想是使激光陀螺的工作状态快速跨越锁区或者根本不经过锁区，其中机械抖动偏频 法是最常用的一种偏频方法。二频机抖激光陀螺就是采用机械抖动偏频法克服锁区效应的 激光陀螺仪。
[0003] 机械抖动偏频法将原来集中在零点附近的锁区分割成位于抖动角频率的整数倍 附近的一系列小锁区，形成动态锁区，为了消除动态过锁区引起的动态闭锁误差，较好的办 法是向抖动驱动信号中注入随机噪声，这样可以通过时域平均的方法来减小进出锁区所带 来的误差。
[0004] 抖动控制系统通常要完成谐振频率跟踪、抖动幅度稳定、随机噪声注入三块功能， 如图1所示。
[0005] 文献1 ( "抖动偏频激光陀螺的抖动控制器"，《应用激光》，2000年，第20卷第1期，国 防科技大学应用物理系，汤建勋等)在克服传统抖动控制器缺点的基础上，设计了一种利用 环路自激振荡产生的正弦波作为机械抖动偏频机构的抖动驱动信号，并将角速率传感器和 幅度解调电路构成反馈回路进行自动增益控制的抖动控制器。该方法得到的机械抖动偏频 机构的抖动频率建立在机械抖动偏频机构的谐振频率点上，是系统的自激振荡频率并严格 跟随机械抖动偏频机构谐振频率的变化而变化。该电路方案目前非常成熟，但模拟电路分 立元件多、体积大，缺乏灵活性和扩展性。另一种谐振频率跟踪方式是采用模拟或数字锁相 环，但基于锁相环的抖动控制系统实现仍然比较繁琐。
[0006] 文献2( "激光陀螺数字抖动控制方法与特性"，《国防科技大学学报》，2006年，第28 卷第5期，国防科技大学机电工程与自动化学院，潘献飞等)设计了一种基于单片机的二频 机抖激光陀螺数字抖动控制方法，建立了二频机抖激光陀螺机械抖动偏频机构的数学模 型，比较研究了模拟正弦波驱动和数字方波驱动机械抖动偏频机构的抖动特性，指出了后 者不同于前者的抖动幅度变化规律及非线性的随机噪声注入方式。基于功能强大的数字处 理器的数字控制电路，将二频机抖激光陀螺的抖动偏频、腔长控制和状态检测等功能集成 到一个中央处理器上，极大地缩小了电路体积、增强了电路功能、提高了电路的灵活性和扩 展性。方波抖动的数字抖动控制系统的缺点在于方波抖动具有丰富的高次谐波，很容易干 扰其它电路。
[0007] 但是，上述文献均是从单一的二频机抖激光陀螺的抖动控制入手，针对的是如何 使二频机抖激光陀螺的机械抖动偏频机构工作在正常状态下。而在实际构建二频机抖激光 陀螺捷联惯性导航系统时，二频机抖激光陀螺总是要安装在惯性测量单元中的同一个安装 基座上，而且通常为三个正交安装或三个以上的冗余安装，这样，各个二频机抖激光陀螺的 机械抖动偏频机构的高频角振动会互相激励产生耦合振动，同时，二频机抖激光陀螺的机 械抖动偏频机构的高频角振动也会激励安装基座产生親合振动，当这些親合振动幅度较 大，也就是当任何二频机抖激光陀螺的抖动频率和安装基座的固有频率相近时，就会导致 二频机抖激光陀螺的抖动驱动信号变大，在抖动驱动信号达到设定的上限仍无法正常工作 时，甚至会损坏二频机抖激光陀螺的机械抖动偏频机构，降低二频机抖激光陀螺的使用寿 命。
[0008] 为了更好地将二频机抖激光陀螺这一高精度、高性价比的产品应用到更广泛的领 域，尤其是对体积、重量有特殊要求并且对振动和噪声相对敏感的领域，就需要有一个针对 由二频机抖激光陀螺构成的惯性测量单元最优安装配置方案的整体评估方法，从而解决目 前由于任意安装或仅凭经验安装所造成的惯性导航系统长时间工作可靠性下降、精度降低 的问题。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的是针对由二频机抖激光陀螺构成的惯性测量单元，提供一种基于抖 动灵敏度的最优安装配置方案的评估方法，提高由二频机抖激光陀螺组成的捷联惯性导航 系统的导航精度和可靠性，降低二频机抖激光陀螺的抖动激励对载体其他振动敏感设备的 影响。
[0010] 本发明的目的通过以下技术方案来实现：
[0011] -种二频机抖激光陀螺惯性测量单元最优安装配置的评估方法，该方法包括以下 步骤：
[0012] 步骤1.对二频机抖激光陀螺惯性测量单元中各安装方位与不同抖轮型号的二频 机抖激光陀螺组成的安装配置方案进行排列组合：
[0013] 1.1)对于正交安装的二频机抖激光陀螺惯性测量单元，定义三个安装方位为X，Y， Ζ方向；定义三种不同抖轮型号的二频机抖激光陀螺按照抖动固有频率的高低依次为A，Β，C 型;根据排列方式if = 3! = 6可知共有6种不同的安装配置方案；
[0014] 1.2)对于三个以上冗余安装的二频机抖激光陀螺惯性测量单元，定义安装方位为 Χι,Χ2,......Χη方向；定义不同抖轮型号的二频机抖激光陀螺按照抖动固有频率的高低依 次为Ai，A2,......An?。根据排列组合=々可知，共有η!种不同的安装配置方案，记 为k，k> 6;
[0015] 步骤2.对二频机抖激光陀螺的抖动灵敏度进行测试：
[0016] 2.1)将二频机抖激光陀螺按照步骤1中的第i(i = l，2,......，k)个安装配置方案 进行组装，对由二频机抖激光陀螺组成的惯性测量单元进行模拟的或数字的抖动驱动控制 (具体方式参考文献1或文献2);
[0017] 2.2)设定第」（」=1，2,......，n)个二频机抖激光陀螺的目标抖动幅度，并记为
[0018] Mij，（i = l，2,......,k, j = 1,2,......,η)；
[0019] 2.3)采集第」（」=1，2,......，n)个二频机抖激光陀螺抖动控制系统中的抖动驱 动信号，并记为
[0020] Dij，（i = l，2,......,k, j = l,2,......,η)；
[0021 ] 2.4)采集第j (j = 1，2，......，n)个二频机抖激光陀螺抖动控制系统中的实际抖 动幅度，该实际抖动幅度是从二频机抖激光陀螺的抖动控制系统中的抖动反馈信号中得 到，并记为
[0022] M7 ij, (i = 1,2,......,k, j = 1,2,......,η)；
[0023] 2.5)计算在第1(1 = 1，2,......，k)个安装配置方案中相应二频机抖激光陀螺的 抖动灵敏度 I :· .
[0024] -7D xMiL ， f M心
[0025] 在正常工作条件下，抖动控制回路是稳定的，实际抖动幅度与设定的目标抖动幅 度相同，抖动灵敏度与抖动驱动信号的强度成反比，抖动驱动信号的强度越小，抖动灵敏度 越高;在极限条件下，如高低温、安装基座的固有频率与二频机抖激光陀螺的抖动频率发生 耦合时，抖动控制回路是半稳定或不稳定的，在设定抖动驱动上限的条件下，实际抖动幅度 与设定的目标抖动幅度不同，抖动灵敏度与目标抖动幅度与实际抖动幅度的比值成反比。
[0026] 2.6)重复步骤2.1)至2.5)完成所有k个安装配置方案中η个二频机抖激光陀螺的 抖动灵敏度的测量；
[0027] 步骤3.对二频机抖激光陀螺惯性测量单元的k个不同安装配置进行评估，得到最 优安装配置方案：
[0028] 3.1)将步骤2中计算得到的第i个安装配置方案中相应二频机抖激光陀螺的抖动 灵敏度Sij相乘得到第i个安装配置方案的评价指标： η
[0029] =f {S/ι, (? -1,2,...,..,I:, j -1,2"...,..,η), /=1
[0030] 3.2)比较安装配置方案的评价指标Ei，Ei最大者对应的安装配置方案即为最优安 装配置方案：
[0031 ] Ebest=max(Ei), (i = 1,2,......,k)〇
[0032] 本发明具有以下技术效果：
[0033] 1)本发明定义了用于评估由二频机抖激光陀螺组成的惯性测量单元最优安装配 置的抖动灵敏度的概念，利用抖动控制系统中的抖动驱动信号及目标和实际抖动幅度方便 地测量二频机抖激光陀螺的抖动灵敏度，原理简单，可操作性强；
[0034] 2)本发明的测试过程只需更换惯性测量单元中二频机抖激光陀螺的安装配置，不 需要引入其他测试手段，就可以完成二频机抖激光陀螺惯性测量单元最优安装配置的评 估，时间短，可信度高；
[0035] 3)经本发明评估得到的二频机抖激光陀螺惯性测量单元最优安装配置可以